基于水动力数学模型评估孝义市护城河行洪排涝能力
2018-09-18
(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)
城市人口众多、经济发达、设施密集，一旦遭受洪涝灾害，损失重、影响大。如何加强城市防洪除险工程建设，全面提升城市防洪除险能力，最大限度减轻和避免内涝对城市的影响，是水利现代化建设的任务。对城市减灾防灾和经济社会发展具有重大的实际意义。
孝义市古城区，防洪排涝体系单一，城区雨水主要由护城河排除。护城河与古城一样历史悠久，属于季节性河流，平时无降雨时，属于干河。雨季担负着古城的防洪排涝任务。由于城市化快速发展，人口大量增加，地面硬化面积不断加大，再加上护城河年久失修，河道淤塞，排水不畅，每年汛期均有不同程度的洪涝灾害发生，如：河水倒灌、道路积水、部分区域被淹等，给人民群众生命财产安全和国民生产造成了很大的危害。如：孝义市2016年7月19日暴雨24h，降雨量约为57.6mm，由于排水不畅，造成雨水倒灌，城区被淹，最大积水深度为70cm，给民众造成许多不可挽回的经济损失。
本研究基于对孝义市自然地理、水文气象、城市建设与规划、区域水系特性、城市排水设施、区域防洪排涝设施的调研分析基础上，建立一维河道水动力学模型，运用水动力学数值模拟的技术手段，对孝义市现状及规划方案下的防洪排涝能力进行评估，为优化城市防洪排涝工程格局，建立完善的城市防洪排涝体系提供技术支撑。
1 模型构建
1.1 一维水动力模型建立
河道洪水采用一维水力学洪水演进模型进行模拟。河道一维非恒定流的模拟基于圣维南方程[1-2]，是建立在质量和动量守恒基础上的，以水位和流量为研究对象。其表达式为：
(1)
动量方程：
(2)
式中A——河道过水面积，m2；
Q——流量，m3/s；
u——侧向来流在河道方向的流速，m/s；
t——时间，s；
x——沿水流方向的水平坐标，m；
q——河道的侧向来流量，m2/s；
α——动量修正系数；
g——重力加速度，m/s2；
y——水位，m；
Sf——摩阻坡降。
采用曼宁公式表示如下：
(3)
水量平衡关系公式如下：
(4)
式中L(m)——连接到节点m的河段数；
M——节点总数；
V——河道交汇点蓄水量。
河道恒定流的模拟可采用曼宁公式：
(5)
式中A——断面过水面积;
Q——流量;
n——糙率;
R——水力半径;
i——底坡。
1.2 模型计算条件及参数
1.2.1 设计暴雨
排涝河道(又称内河)等一般采用城市排涝设计标准。本文针对防洪排涝标准的10年、20年及100年一遇设计暴雨拟定3组模拟工况进行计算。依据《山西省水文计算手册》，推求设计暴雨。
1.2.2 模型计算条件及参数
本模型输入信息包括：河网断面数据、边界条件、水动力学参数、模拟时间以及输出数据类型。根据不同情况设定各种条件进行护城河行洪能力计算。
a.河网数据：通过ArcGIS导入河网数据，生成节点和河段信息，并设置各个河渠之间的联结关系，河网关系图如图1所示。
图1 河网关系
b.断面数据：根据实测断面资料和部分概化的断面资料设置护城河断面形式。护城河现状及规划方案下典型断面基础数据参见表1。
表1 现状及规划方案下典型断面基础数据统计表
c. 边界条件：根据流域水文特性分析确定计算区内护城河上游边界均设置为零流量边界，入河水量主要为沿途雨洪排水。
d.水动力学参数设置：初始水深设为0.10m，曼宁糙率系数设置为0.030。
e.模拟时间设置：模拟时间步长为1s。
1.3 模型率定与验证
采用前述构建模型，以“2016年7·19”暴雨过程为入流条件，模拟该暴雨事件下河道行洪情况。经初步估算该场暴雨重现期接近10年一遇。CH1河模拟数据如图2所示。
图2 CH1河沿程最高水位线模拟值
由于护城河附近并无水文站，缺乏足够的实测雨洪资料，所以，模拟数据只能通过社会化公众媒体数据，完成模型的率定与验证。经调查，该场降雨过程下，CH1河溢流河段约205m，超过左右岸约0.38m，造成河两岸雨水倒灌，实际调查该河段附近积水深度约为45～58cm，结果相符。
2 护城河排涝能力评估
2.1 现状条件下排涝能力
护城河作为城区主要泄洪排涝通道，护城河来水主要由沿途各片区市政雨水管网排入的雨洪水。为了进一步统计研究区域产汇流能力，本文根据雨水管网分布和地形状况，划分了4个片区，如图1所示。不同重现期暴雨条件下分片区雨洪量计算成果参见表2。
表2 现状条件下不同频率暴雨分片区雨洪量计算统计
对现状条件下护城河10年、20年及100年一遇3种不同重现期沿程水位变化进行了计算，图3、图4为比较典型的20年一遇护城河沿程水位变化，表3为现状条件下不同频率暴雨河渠过流能力计算统计。
图3 现状条件下CH1河20年一遇沿程最高水位线
图4 现状条件下CH2河20年一遇沿程最高水位线
设计暴雨护城河段最大水深/m溢流河段/m最大过流量/(m3/s)10年一遇CH10.4～1.82056.4CH20.5 ～1.8803.920年一遇CH10.5～1.862456.9CH20.54 ～1.851004.1100年一遇CH10.6～1.952938.5CH20.6 ～22464.56
由上述各图、表计算结果可以看出，现状条件下护城河不同程度存在一定溢流过载现象，其中CH1(护城河西段)尤为突出，10年一遇治涝标准下，溢流河段长度达205m，约占河渠总长的9.3%，100年一遇防洪标准下，溢流河段长度达293m，约占河渠总长的13.2%。河道溢流会造成古城区雨水倒灌，城区内涝，通过以上分析知护城河行洪排涝能力不满足要求，需要对护城河排涝能力进行规划设计。
2.2 规划方案下排涝能力
由于护城河行洪排涝能力不满足要求，故对其进行疏通整治增加漕蓄能力。具体典型断面改造方案见表1。根据城市治涝标准的不同规定，结合本市洪涝灾害实际情况，确定本市古城区水系规划采用的城市治涝标准为：20年一遇24h暴雨24h排除至地面以下[3]。为评估在规划方案下护城河泄洪排水能力，选取20年一遇治涝标准下的设计暴雨，计算统计该降雨条件下各护城河不同典型断面的过流量，图5为各典型断面24h流量过程线。
图5 20年一遇治涝标准下CH1、CH2河各典型断面24h流量过程线
为了对比分析，对拟规划条件下护城河10年、20年及100年一遇三种不同重现期沿程水位变化进行了计算，图6、图7为20年一遇护城河沿程水位变化，表4为现状条件下不同频率暴雨河渠过流能力计算统计结果。
图6 规划方案下CH1河20年一遇沿程最高水位线
图7 规划规划方案下CH2河20年一遇设计最高水位线
设计暴雨护城河段最大水深/m溢流河段/m最大汇入流量/(m3/s)10年一遇CH10.38～1.731879.0CH20.7 ～1.7506.2520年一遇CH10.45～1.820910CH20.8 ～1.806.8100年一遇CH10.58～222711.3CH20.9～1.9507.5
图5显示的护城河洪水演进过程，达到了防洪排涝标准所规定的时间内雨洪水排出时间的规定。
由图5、6可以看出，规划方案下护城河过流能力满足治涝标准，河渠溢流过载现象基本消除，仅干河较短河段存在短历时溢流现象，其中CH1河部分河段溢流形成原因主要是断面面积较小，过流能力有限，形成卡口，导致上游发生壅水、抬高水位。由于护城河两岸古建筑较多，河道拓宽有限，所以需要进一步对该河段规划方案进行优化设计，建议该河段河堤在规划治理改造过程中予以局部加高。
由表4可以看出，通过对护城河规划改造后，各河段的溢流河段明显下降，同时由于对城区管网的规划改造，排入护城河的雨洪水增加，断面最大过流量整体呈现增加的态势，但河渠泄洪排涝能力基本满足实际需求。
3 结 论
通过对比现状及规划方案下护城河行洪排涝能力，分析得出护城河疏通改造后断面最大过流量整体呈现增加的态势，河道泄洪排涝能力满足治涝标准要求，同时20年一遇24h暴雨过程结束后，河渠洪水演进过程亦基本结束，仅有少量积水蓄积于河槽，河渠整体腾空，达到了24h暴雨24h排除的目标。护城河暴雨溢流现象基本消除，仅护城河西段较短河段存在短历时溢流现象，其中该溢流河段的形成主要是由于该断面过水能力有限，形成卡口，导致上游发生壅水、抬高水位，故需对该河段规划方案进行优化设计，建议对该溢流段进行相应的提防抬高加固即可。
